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美媒:美国芯片制造技术本可以遥遥领先,都怪英特尔

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4月12日消息,芯片技术是当今人工智能革命的核心,美国在这一技术的早期研究中曾发挥过关键作用。然而,现在一家荷兰公司垄断了最重要的芯片生产工具,而亚洲制造商则主导了整个芯片生产领域。这是美国的一次战略性巨大失误。

极紫外(EUV)光刻机无疑是当前世界上最关键的电子设备。这些机器的出现使得人们能制造出具有突破性处理能力的芯片,为新一代人工智能工具铺设了发展道路。例如,ChatGPT和谷歌Gemini等人工智能平台,其执行的复杂、多层次计算任务大大加速了许多原本需要人工操作的流程。在这种情况下,获取EUV技术对美国和中国来说已成为一个国家经济安全的战略关键。

目前全球面临的一大问题是,只有阿斯麦一家公司生产EUV光刻机。这些设备体积庞大,相当于一辆公交车大小,每台的成本超过2亿美元。到目前为止,阿斯麦已经售出了200多台EUV光刻机,其股票成为欧洲市场上最有价值的科技股,总市值超过3500亿美元。

那么美国是如何放弃对这一关键技术的控制权的呢?部分原因在于,当年只有少数行业高管认为EUV光刻机技术是可行的。而另一个原因是,长期以来作为全球最大芯片制造商的英特尔公司出现了重大的战略误判。

近乎原子尺度

硅芯片由晶体管组成,本质上是一系列门和开关,它们构成了现代计算中0和1的物理基础。为了让计算机更为强大,芯片工程师们一直在努力将晶体管做得更小。上世纪中叶发明的第一批晶体管长度约为一厘米,而现在,它们的宽度仅为几纳米,即十亿分之几米。

在制造芯片的最初几十年中,人们使用可见光在硅片上刻蚀图案来制造晶体管,这一过程称为光刻。随后,整个行业转向了紫外光技术。到了20世纪80年代,科学家们开始探索如何将芯片制造推进到接近原子规模,以保持技术创新的步伐。总部位于新泽西州的贝尔实验室的研究人员开始研究极紫外线技术,随后美国能源部的三个国家实验室——劳伦斯利弗莫尔实验室、劳伦斯伯克利实验室和桑迪亚实验室也加入了研究。美国能源部最终为这项研究投入了数亿美元。

芯片制造商的冒险

随着这些机构在关键技术环节取得进展,他们意识到要将这种技术推向市场,行业支持是必不可少的。1997年,一家名为EUV LLC的公私合营机构成立,其成员包括美国的英特尔、AMD和摩托罗拉公司。光刻设备制造商硅谷集团(Silicon Valley Group Inc.)以及荷兰的阿斯麦后来也加入了该机构,阿斯麦同时还参与了欧洲一个类似的EUV研究联盟。

当时,日本的尼康和佳能是光刻领域的领头羊,被视为美国在芯片制造领域的主要威胁。因此,美国选择不在新一代技术竞争中支持日本,而是转向支持硅谷集团和阿斯麦。阿斯麦全力投入到EUV技术的研发中,并在接下来的几年里深入挖掘其技术潜力。2001年,阿斯麦斥资11亿美元收购了硅谷集团,从而在竞争中取得了优势。当时,阿斯麦预计到2006年EUV技术将具备商业可行性。

技术挑战

事实证明,这种看法过于乐观。EUV技术极其复杂,它涉及使用高功率激光以每秒五万次的速度轰击锡滴,产生可以发射极紫外光的等离子体。由于这种光在地球自然环境中会被空气吸收,整个过程必须在真空中进行。然后,通过一系列镜子将光线聚焦并反射到掩膜板上。掩膜板可以阻挡和吸收部分光线,从而形成要刻蚀到芯片上的电路图案。

考虑到操作规模近乎原子级,由德国蔡司公司制造的镜子必须极其平滑:最大瑕疵也只能高出一个原子。阿斯麦表示,如果将这些镜子比作一个国家的面积,最高的凸起不会超过1毫米。激光轰击熔化锡的过程同样棘手,需定期清理,导致设备频繁停机。这样的设备要经济实惠几乎难以想象,尤其是半导体制造设备需要无休止地运转,每周七天、每天二十四小时,以证明数十亿美元的投资是合理的。

直到2012年,业界才开始认为这项技术可能是可行的,尽管仍需巨额投资。因此,阿斯麦转向了其最大的客户:台积电投资了14亿美元,三星电子投资了9.74亿美元,而英特尔承诺最多投资41亿美元。当时,这三家芯片制造商共持有阿斯麦约四分之一的股份。

这一策略最终取得了成功。到2018年,阿斯麦开始大规模出货EUV光刻机。尽管早期的绝大多数工作都是在美国完成的,并且英特尔是阿斯麦的最大产业支持者,但首代机器并没有一台交付给英特尔。

制程工艺

这并非阿斯麦的决定,而是英特尔的选择。当时的英特尔首席执行官布莱恩·科再奇(Brian Krzanich)对这项技术是否能产生经济效益缺乏信心,他决定继续依赖现有技术,直到EUV技术中的问题得到解决。科再奇对此有足够的信心,毕竟在尖端芯片制造工艺方面,英特尔一直处于行业领先地位。

然而,这最终证明是一个错误。大约在2018年,使用EUV技术的台积电在技术上首次超越了英特尔。台积电承接芯片代工业务,为苹果、英伟达和AMD等客户进行生产。

与此同时,英特尔采用的“多重光刻”替代技术在可靠性方面遇到问题。当英特尔的工艺调整至能够量产芯片时,台积电和三星已经开始生产更先进的芯片。

英特尔仍在为自己的误判付出代价。

2021年接任英特尔首席执行官的帕特·盖尔辛格(Pat Gelsinger)在今年四月份表示:“我们采取了多种措施来避免对EUV光刻机的依赖,但正如你所见,这导致我们在芯片的功率、性能、尺寸和成本方面都存在不足。”

股市也反映了这一错误的严重性。早在2012年投资阿斯麦时,英特尔的市值是英伟达的15倍,几乎是台积电的两倍。而现在,英特尔的市值仅是这两家公司的一小部分:英特尔市值为1640亿美元,台积电市值为6500亿美元,英伟达市值达到2.2万亿美元。这在很大程度上是因为英特尔未能掌握EUV技术。

盖尔辛格急于确保自己不会重蹈覆辙。英特尔正在大力投资于新一代EUV技术:高数值孔径技术。这种方法采用新光学系统将光线聚焦至更小点上,英特尔已在俄勒冈州安装第一台预生产模型。(辰辰)

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